干热岩体热冲击后纵波波速演化规律研究

2021-10-28武治盛冯子军石晓巅赵阳升

煤炭科学技术 2021年10期

武治盛，冯子军，惠峥，石晓巅，赵阳升

(1.太原理工大学原位改性采矿教育部重点实验室，山西太原 030024；2.太原理工大学矿业工程学院，山西太原 030024)

0 引言

随着人类对能源需求的不断增长，大量使用传统化石能源带来的资源枯竭问题和环境污染问题日益严峻，这迫使我国和全世界寻找与开发环境友好型的可再生能源。地热资源是储量巨大的、安全且可持续应用的绿色能源[1]。干热岩作为地热资源的载体之一，分布普遍，储量丰富。在干热岩地热开发中作为储留层的花岗岩不断受热冲击而发生热破裂，对高温花岗岩体热冲击及热破裂进行研究有助于进一步认识干热岩储留层的建造和演化规律。目前，国内外学者对涉及高温岩石方面做了很多研究。赵阳升等[2-6]对砂岩和花岗岩在常温至600 ℃的声发射特征和渗透性演化进行研究，揭示岩石的热破裂规律与渗透性的相关特征。徐小丽等对花岗岩在常温至1 300 ℃温度作用下的力学性质和结构晶体学性质的变化规律进行了研究，揭示了岩石组分的改变和结晶状态的相变是导致高温下花岗岩力学性质突变的重要原因[7-9]。郤保平等[10]通过600 ℃内高温状态花岗岩遇水冷却后的力学特性试验研究，探讨了花岗岩体遇水热破裂的劣化机制，发现高温状态花岗岩在遇水冷却过程中，由于岩体内温度急剧变化，岩体内产生热破裂或热冲击现象，岩体力学性能劣化，导致超声波速、单轴抗压强度、抗拉强度及弹性模量随温度逐渐减小。朱振南等[11]通过对500 ℃内高温花岗岩遇水冷却后的物理力学特性试验研究，结合SEM图像说明了高温花岗岩遇水冷却后纵波波速和横波波速皆随温度升高而降低，且纵波波速降低幅度大于横波波速降幅。闫治国等[12]对经受不同高温后熔结凝灰岩花岗岩及流纹状凝灰角砾岩的波动特性进行了研究，分析比较了3种岩石纵波波速、密度、弹性模量及峰值应力随经历温度的变化规律。邓华锋等[13]在岩石饱水度、纵波波速及强度的相关性研究中揭示了饱水、风干过程及各向异性对岩样纵波波速、强度的影响。

近年来，进行了许多出露花岗岩体的实地考察，发现花岗岩因地质构造运动产生规模较大的节理裂隙，在后期花岗岩节理裂隙被岩浆、热液充填的地质现象是普遍现象。深入分析在裂隙后期被充填的花岗岩体特征后，按照充填物特征分为岩浆充填与热液充填2类。岩浆充填为花岗岩母岩岩体受地质构造作用，产生了大尺度的裂缝，在后期由于新的火山活动，使熔融岩浆侵入裂缝并冷凝结晶成岩，形成后期岩浆充填裂隙花岗岩体。后期岩浆充填裂隙花岗岩体的岩浆侵入温度可达700～900 ℃，深度在3～10 km，由于压力与温度较高，结晶条件较好，故晶体为全晶质，呈中粒或粗粒结构，侵入岩体规模往往较大[14]；热液充填为岩浆经冷凝结晶分异过程产生的大量热液，沿花岗岩体裂隙流动，并逐渐冷凝沉积于裂缝中，形成后期热液充填裂隙花岗岩体。后期热液充填裂隙花岗岩体的热液温度一般为300～600 ℃，深度在1.0～4.5 km，所成矿体呈不规则脉状等形态[15]。

在深入研究天然花岗岩体的特征后，发现真正的干热花岗岩体并非完整、无裂隙、均质的岩体[16]。在干热岩实际开发中，后期岩浆、热液充填裂隙干热岩体中充填体与母岩的胶结面是一个弱面，极有可能成为人工储留层的天然弱面通道或采用压裂方法建造人工储留层的率先破裂通道，从而使干热岩人工储留层建造变得更加容易且成本更低。纵波速度能够反映岩石内部的整体损伤程度，是评价岩石损伤的一种方式。基于此，针对后期热液充填裂隙干热岩体在热冲击后纵波波速演化规律进行研究，为断层模式下干热岩地热开发中储留层的建造及其结构演化提供参考依据。

1 试验概况

1.1 岩样制备

试验样品取自中国山西芦芽山，芦芽山花岗岩晶体颗粒很大(图1)，一般晶粒尺寸为几毫米到几十毫米，说明该地区花岗岩是在深部缓慢冷凝结晶成岩，后被地质运动推置到地面。该区花岗岩的性态代表了深层干热岩体的特征。本次研究岩样即采自该区的采石场(图2)，采用岩石取心钻沿与胶结面平行和垂直方向取心，再取全部为母岩和充填体的岩样(远离胶结面)。全部完成取样后岩样分为4类：母岩即岩样为远离胶结面的纯母岩；充填体即远离胶结面的纯充填体；左右结构花岗岩即胶结面为纵向分布，岩样左右两部分分别含有母岩和充填体的组合体；上下结构花岗岩即胶结面为横向分布，岩样上下两部分分别含有母岩和充填体的组合体。岩样在试验室全部加工成ø50 mm×100 mm的标准样(图3)。

图1 芦芽山某采石场Fig.1 Granite of quarry in Luya Mountain

图2 芦芽山含胶结面热液充填的花岗岩体Fig.2 Magma-filled granite body withcemented surface in Luya Mountain

图3 4类花岗岩部分岩样Fig.3 Four types of granite partial rock samples

1.2 试验方法与步骤

1.2.1 自然吸水率与波速试验

用游标卡尺测量4类花岗岩(母岩、充填体、左右结构、上下结构)各个岩样直径和高度；将岩样放入(60±2)℃的恒温干燥箱中干燥48 h至恒重，再放入干燥器中冷却至室温后取出用电子天平(0.01 g)称其质量，然后立即用NM-4B非金属超声检测仪测其波速。再将岩样浸入25 ℃左右的清水中48 h后，用拧干的毛巾轻轻擦去岩样表面的水分，立即测其吸水后质量和波速。

1.2.2 冲击次数对波速的影响试验

把4类花岗岩部分岩样烘干干燥后先测其未热冲击前波速，然后置于马弗炉中，设置加热速率为2 ℃/min，加热至300 ℃后保温4 h。将4类花岗岩岩样从马弗炉中快速取出后，立即放入预先准备的4桶15 L的0 ℃冰水混合物中冷却，浸泡时间为2 h，以保证岩样完全冷却。取出岩样进行烘干干燥后快速进行波速测试，第1次热冲击波速测试完成。按照上述试验步骤再将岩样加热300 ℃后冷却干燥测其波速，试验重复热冲击次数为5次，最后测得4类岩样在300 ℃下不同冲击次数后的波速。

1.2.3 不同冷却方式下冲击温度对波速的影响试验

将4类花岗岩下的岩样分为2组：第1组放入马弗炉加热，设置加热速率为2 ℃/min，加热至目标温度后保温4 h。然后将岩样取出立即放入0 ℃冰水混合物中冷却2 h，重复加热、水冷却5次，恒温干燥箱烘干后进行岩样波速测试。第2组以同样加热方法处理至目标温度后，将岩样取出置于室温下冷却，重复加热、冷却5次后，恒温干燥箱烘干后进行岩样波速测试。目标温度分别为150、300、450、600 ℃，每类花岗岩每个温度点都对应一个岩样。最终测得在不同冷却方式下4类花岗岩各岩样在不同温度下热处理5次后的波速。

2 试验结果与分析

2.1 室温下各类花岗岩的吸水率和波速

1)各类花岗岩岩样密度与吸水率。根据测得岩样尺寸和干燥、吸水后岩样质量计算得到各花岗岩岩样密度和吸水率(图4)，ρ为各类岩样密度均值，由图可知ρ(母岩)>ρ(上下结构、左右结构)>ρ(充填体)。w为各类岩样吸水率均值，由图可知w(充填体)>w(母岩)>w(上下结构、左右结构)。上下(左右)结构的花岗岩吸水率最低，这表明后期热液在充填裂隙花岗岩体的过程中对胶结面处一定范围内的母岩及充填体本身产生一定影响。

图4 各类花岗岩岩样的密度与吸水率Fig.4 Density and water absorption of various granite samples

2)各类花岗岩岩样干燥和吸水后波速。各类花岗岩在干燥和吸水后的波速如图5所示，同类花岗岩岩样烘干和吸水后纵波波速离散性不大，这证明了波速测量数据的可靠性，吸水后各个岩样的纵波波速都大于干燥后波速[13]，这是由于波在水中传播速度比在空气中传播速度大，岩样在吸水后其部分孔隙裂隙中的空气被水填充后测得的波速变大。4类花岗岩吸水后波速较其干燥时波速增幅由大到小为充填体(10.52%)、母岩(7.21%)、上下结构(5.07%)、左右结构(3.83%)，正对应各类花岗岩的吸水率的大小关系，这充分说明了花岗岩吸水后会导致波速增加。测得各岩样尺寸和干燥、吸水后岩样质量计算各岩样开口孔隙率，即

图5 各类花岗岩在干燥和吸水后的波速Fig.5 Wave speed of various types of granite after drying and water absorption

mw=mA-mo

(1)

Vw=mw/ρw

(2)

no=Vw/V

(3)

式中：mo、mA分别为干燥和吸水时岩样质量，g；mw为在常温常压下岩样自然吸水后水的质量，g；Vw为

在常温常压下岩样自然吸水后水的体积，cm3；V为岩样体积，cm3；nO为岩样开口孔隙率，%。

开口孔隙率在一定程度上能够反映岩石的致密程度， 4类花岗岩波速与开口孔隙率的关系如图6所示，由图可知4类花岗岩波速与其开口孔隙率呈负相关，开口孔隙率越大其波速越低。比较4类花岗岩的开口孔隙率可知：充填体开口孔隙率介于0.78%～1.10%，母岩和上下(左右)结构花岗岩开口孔隙率都低于0.255%。充填体的开口孔隙率明显大于其他3类花岗岩开口孔隙率，上下(左右)结构花岗岩开口孔隙率均值低于母岩开口孔隙率均值。

图6 4类花岗岩波速与开口孔隙率关系Fig.6 Relationship between wave velocity and porosity of four types of granite

比较4类花岗岩的纵波波速vp可知：vp(上下结构、左右结构)>vp(母岩)>vp(充填体)，上下结构与左右结构花岗岩波速均值相差不大。充填体的吸水率最大对应其开口孔隙率也就最大，因此充填体的纵波波速最小；上下结构和左右结构的花岗岩波速最大可推知当纵波穿过充填体与母岩的胶结面一定范围内时其波速反而有所增加，这与上下(左右)结构花岗岩较母岩和充填体吸水率(开口孔隙率)低现象相对应。后期热液在充填裂隙花岗岩体的冷却过程中，热液接触到母岩后温度骤降形成的充填体矿物颗粒要比远离胶结面的充填体矿物颗粒小。母岩在高温高压条件下发生溶蚀和重结晶且部分热液侵入到母岩微裂隙中，此时充填体与母岩胶结面处“黏合”较好且岩浆热液对胶结面处的一定范围内母岩有了一定”愈合”作用[16]，这就导致上下(左右)结构的花岗岩吸水率(开口孔隙率)比充填体和母岩吸水率(开口孔隙率)低、上下(左右)结构的花岗岩纵波波速比充填体和母岩纵波波速高。

2.2 热冲击次数对各类花岗岩波速的影响

温度为300 ℃时4类花岗岩波速与热冲击次数关系曲线如图7所示。

图7 4类花岗岩波速与热冲击次数关系曲线Fig.7 Relation curve between wave velocity and thermal shock times of four kinds of granite

由图7可知，这4类花岗岩波速随着冲击次数增加而降低且在第1次热冲击后波速降幅最大，充填体、母岩、上下结构和左右结构降幅对应分别为41.1%、49.1%、46.9%和54.3%；之后随着热冲击次数增加4类花岗岩波速降幅迅速减小，约3%。花岗岩在加热至300 ℃会逐渐失去附着水和矿物结合水：附着水的失去并不会破坏晶格，仅是造成岩石物理性质(如密度，体积等)的变化，附着水失去后仍能重新吸水，恢复原有的物理性质。矿物结合水的失去会使晶格发生破坏，造成晶体结构缺陷，导致岩样波速下降。花岗岩在加热至300 ℃再经0 ℃水急速冷却后，矿物颗粒的热膨胀和热冲击产生的热应力使花岗岩发生热破裂，也会导致岩样波速下降[17]。第1次热冲击时，热应力只能通过花岗岩的原生孔隙裂隙得到释放，有限的孔隙裂隙空间使得花岗岩发生较多的热破裂。第1次热冲击产生的热破裂裂隙又为之后热冲击产生的热应力释放提供了空间，热破裂的发生大大减少，热应力主要引起微裂隙的扩展和延伸。因此第1次热冲击波速下降幅度大于其之后热冲击波速下降幅度。通过波速对不同热冲击次数的响应，笔者认为：在研究热冲击对花岗岩物理力学性质时，花岗岩热冲击次数可以适当增多，以加强热冲击对花岗岩热破裂作用效果的代表性和说服力。对于花岗岩热冲击次数上限本文认为应以不破坏花岗岩岩样完整性为好，以便完成后续的花岗岩岩样物理力学试验。

不同冲击次数后波速对比其室温下波速归一化处理后4类花岗岩纵波波速相对值随岩样冲击次数的变化规律(图8)。

图8 4类花岗岩波速归一化处理后与热冲击次数关系曲线Fig.8 Correlation curve between wave velocity after normalization and thermal shock times of four types of granite

将图中4条曲线都从第1次热冲击之后进行拟合，拟合后4类岩样波速相对值的斜率k大小关系为k(上下结构)>k(左右结构)>k(母岩)>k(充填体)，斜率k的大小体现了花岗岩的热破裂剧烈程度。花岗岩在形成过程中岩浆冷却速度的不同导致其矿物颗粒的大小不同[19]。岩浆冷却经历很长的时间，其结晶作用也是缓慢进行的，故冷凝而成的花岗岩母岩按照矿物颗粒绝对大小分类应为粗粒结构或伟晶结构，按矿物颗粒相对大小分类应为斑状及似斑状结构(图9a)；充填体由于是热液后期侵入形成，冷却速度相对较快，故而充填体按矿物颗粒绝对大小分类应为中粒结构或者细粒结构，按矿物颗粒相对大小分类应为等粒结构(图9b)；在胶结面附近由于冷却速度更快结晶形成的充填体矿物颗粒则更小，但胶结面附近由于既含有母岩又含有充填体，所以整体来说其矿物颗粒分布尺度差异最大(图9c和图9d)。根据矿物颗粒的绝对大小和相对大小判断充填体的热破裂剧烈程度最小，上下(左右)结构的花岗岩热破裂剧烈程度强于充填体和母岩。如图9所示4类岩样300 ℃时经历5次0 ℃水热冲击后，充填体未发现肉眼可见的裂缝，而母岩、上下结构和左右结构花岗岩都有可见的裂缝出现，且上下结构和左右结构中胶结面处产生裂缝较大。

图9 300 ℃后0 ℃水冷却各类花岗岩岩样Fig.9 Various granite samples cooled at 0 ℃ after 300 ℃

2.3 热冲击温度对各类花岗岩波速的影响

图10、图11分别为室温下冷却和0 ℃水冷却后花岗岩波速与温度关系曲线。由2图可知无论是室温下冷却还是0 ℃水冷却后的4类花岗岩波速都随着温度增加而降低，2种冷却方式波速下降速度都在300 ℃后有所减缓。这说明加热至不同温度后再冷却对花岗岩都造成了热损伤，且加热温度越高造成的热损伤越强。

图10 室温下冷却后花岗岩波速与温度关系曲线Fig.10 Relationship between wave velocity and temperature of granite after cooling at room temperature

图11 0 ℃水冷却后花岗岩波速与温度关系曲线Fig.11 Relationship between wave velocity and temperature of granite after water cooling at 0 ℃

通过室内试验，试验结果如图10所示，从图10室温下冷却后花岗岩波速与温度关系曲线知，室温下温冷却花岗岩波速分为3个阶段：室温下冷却花岗岩在其阶段1(常温～150 ℃)花岗岩附着水及部分弱结合水丧失，开始出现一些微小裂纹，波速呈现缓慢降低；在阶段2(150～300 ℃)花岗岩结合水丧失，在300 ℃下花岗岩裂纹数量会出现一个峰值[20]，微裂纹的宽度、长度、开度全面增加[3]，波速在阶段2降幅最大，下降速度最快；在阶段3(300～600 ℃)花岗岩的结晶水和结构水分别丧失[18]，裂纹主要以微裂纹联通扩展为主，波速表现为进一步下降，但下降速度较300℃时有所减缓。如图11所示将0 ℃水冷却花岗岩波速分为2个阶段：阶段1(室温～300 ℃)为波速快速下降阶段，阶段2(300～600 ℃)为波速减速下降阶段。

图12为各花岗岩岩样不同温度下冷却处理后波速对比其室温下波速归一后随温度变化曲线。由图可知4类花岗岩在加热至相同温度下0 ℃水冷却花岗岩波速降幅都大于其室温下冷却花岗岩波速降幅。说明相同温度下花岗岩用0 ℃水冷却造成的热损伤更强[21]，特别是在150 ℃时0 ℃水冷却后的花岗岩热损伤增强效果更加明显。花岗岩在室温下冷却和在0 ℃水中冷却本质上为花岗岩与空气或水进行热量传递，花岗岩降温速度主要取决于空气和水的有效导热系数大小，导热系数越大则导热性能越好[22]。由于水的有效导热系数大于空气的有效导热系数，且当花岗岩温度大于100 ℃时，花岗岩在0 ℃水中冷却出现有相变的对流换热，花岗岩与水的换热效率大大提高，花岗岩降温速度加快，相比于在室温中冷却花岗岩内部产生更大的温度梯度和热应力[23]，导致花岗岩内部出现了更多的热破裂。因此在加热至相同温度下0 ℃水冷却花岗岩波速降幅都大于其室温下冷却花岗岩波速降幅且采用0 ℃水冷却使花岗岩在热冲击温度为150 ℃时波速降幅明显变大。

依据图10—图12试验结果可知，比较4类花岗岩在室温时的波速vp关系为：vp(上下结构、左右结构)>vp(母岩)>vp(充填体)，这4类花岗岩在加热温度高于300 ℃降温后测得的波速差别基本不大，这说明热破裂发生的剧烈程度为由大到小为上下(左右)结构花岗岩、母岩、充填体，这与波速和热冲击次数关系中得出的结论一致，同样是花岗岩矿物颗粒大小及分布差异性导致的。